朱溪流域土壤容重空間分異與地形和土地利用的關(guān)系

潘宗濤, 陳志強(qiáng),2, 陳志彪,2

(1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350007; 2.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福建 福州 350007)

土壤容重是一定容積的土壤(包括土粒及粒間的孔隙)烘干后的重量與同容積水重的比值。土壤容重是衡量土壤養(yǎng)分狀況的重要指標(biāo)之一，對(duì)土壤的肥力、透氣性、入滲性能、持水性能、溶質(zhì)遷移特征、土壤抗侵蝕能力以及生物生長(zhǎng)具有重要影響[1-2]。相關(guān)研究表明，隨土壤容重的增加，植物根系生長(zhǎng)受到抑制，當(dāng)土壤容重達(dá)1.8 g/cm3時(shí)，植物根系基本不能生長(zhǎng)[3]。

影響土壤容重空間分布的因素眾多，如土地利用方式[4]、植被蓋度[5]以及地形(包括海拔、坡度、坡位、坡向)[6]等。地形通過影響坡面土壤侵蝕以及人類活動(dòng)而直接或間接影響土壤容重的空間分異。連綱等[7]在黃土高原小流域土壤容重研究中發(fā)現(xiàn)，土壤容重與復(fù)合地形指數(shù)CTI正相關(guān)，并且不同土地利用類型土壤容重變異較小。李卓等[8]在土壤容重對(duì)土壤水分蓄持能力的研究中表明，土壤各吸力段水分蓄持能力均隨容重增大遞減，比水容量值也隨容重增大遞減。沈奕彤等[2]研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重是影響坡地溶質(zhì)遷移以及坡面降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素。然而，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于中國(guó)南方紅壤侵蝕區(qū)土壤容重與地形及土地利用關(guān)系的研究較為少見。

本文擬基于地統(tǒng)計(jì)分析等空間分析方法，在小流域尺度內(nèi)分析南方紅壤侵蝕區(qū)土壤容重的空間分布，探討高程、坡度、坡位和坡向等地形因子以及土地利用對(duì)朱溪流域土壤容重分布的影響，以期為該流域及類似區(qū)域水土流失治理提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

朱溪流域位于福建省西南部長(zhǎng)汀縣境內(nèi)，面積約為4 495.65 hm2。流域地勢(shì)自東北向西南傾斜，海拔270～680 m，地貌以低山丘陵為主。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，濕熱多雨，多年平均氣溫18.3 ℃，年降水量1 700～2 000 mm，雨季較長(zhǎng)，降雨集中[9]。濕熱氣候下生成了抗蝕性差的酸性紅壤，其風(fēng)化殼較厚，一般可達(dá)10～20 m。天然植被受到破壞，現(xiàn)植被以次生馬尾松(Pinusmassoniana)為主，樹種單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，林下灌木主要為散生的小葉赤楠(Syzygiumbuxifolium)、黃瑞木(Adinandramillettii)、石斑木(Rhaphiolepisindica)等，草類包括芒萁(Dicranopterisdichotoma)、鷓鴣草(Eriachnepallescens)等[10]。該流域曾是福建省土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是中國(guó)亞熱帶花崗巖丘陵地區(qū)水蝕荒漠化的一個(gè)典型代表[11]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本研究數(shù)據(jù)來自2009年對(duì)整個(gè)朱溪流域土壤野外調(diào)查工作，共收集118個(gè)采樣點(diǎn)(附圖4)，涉及到草地、耕地、水域、林地、居民點(diǎn)及工礦用地、園地、交通用地及未利用地等用地類型。運(yùn)用刪格采樣法確保采樣點(diǎn)分布相對(duì)均勻，以滿足地統(tǒng)計(jì)分析需要。樣品取自表層0—20 cm土壤，容重的測(cè)量采用環(huán)刀法。

利用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，得到結(jié)果(表1)。運(yùn)用ArcGIS 10.2地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)正態(tài)分布檢驗(yàn)、趨勢(shì)分析、全局異常值與局部異常值的剔除[12]。從采樣點(diǎn)中剔除3個(gè)異常點(diǎn)，剩下的分為2部分。100個(gè)采樣點(diǎn)用來建立變異函數(shù)模型以及插值分析，另外15個(gè)樣點(diǎn)用于驗(yàn)證插值結(jié)果。根據(jù)處理后的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，選用普通Kriging空間插值法對(duì)朱溪流域土壤容重進(jìn)行空間插值。利用SPSS 20.0分別對(duì)采樣點(diǎn)土壤容重值與高程和坡度做Pearson相關(guān)性分析。在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Origin 9將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，擬合土壤容重與坡度，容重與高程的散點(diǎn)關(guān)系。通過0/1賦值，0表示不存在，1表示存在，將坡位轉(zhuǎn)化為5個(gè)虛擬變量，將其與土壤容重進(jìn)行相關(guān)性分析。通過求取坡向的正弦和余弦值，將原始坡向轉(zhuǎn)化為南北向和東西向2個(gè)虛擬變量(sinα>0，表示坡向偏北，cosα>0，表示坡向偏東)[13]，并將土壤容重與2個(gè)虛擬變量進(jìn)行相關(guān)性分析。

表1 土壤容重的描述性統(tǒng)計(jì)

1.3 研究方法

1.3.1 地統(tǒng)計(jì)分析基本理論 半變異函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)分析的基本工具，其基本公式如下[14]：

(1)

式中：γ(h)——半變異函數(shù);h——步長(zhǎng)，即采樣點(diǎn)空間間隔距離;N(h)——間隔為h的采樣樣點(diǎn)對(duì)數(shù);Z(xi)和Z(xi+h)——變量在xi和xi+h空間位置上的實(shí)測(cè)值。

半變異函數(shù)主要有以下主要參數(shù)即基臺(tái)值(Sill)、塊金值(Nugget)、變程(Range)和結(jié)構(gòu)方差(Partial Sill)。結(jié)構(gòu)方差也稱為塊金系數(shù)即塊金值與基臺(tái)值的比值，可表示系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度[15]。

根據(jù)計(jì)算出的半變異函數(shù)值，建立相應(yīng)理論模型。模型的塊金系數(shù)反映了隨機(jī)性因素引起的變異占系統(tǒng)總變異的比例。當(dāng)塊金系數(shù)小于25%時(shí)，說明系統(tǒng)具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，大于75%時(shí)說明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱[16]。半變異函數(shù)最常用的是球狀模型、高斯模型和指數(shù)模型[17]。利用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊選取最優(yōu)模型。模型的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：標(biāo)準(zhǔn)平均值最接近于0，均方根最小，平均誤差最接近均方根誤差，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差最接近1[18]。根據(jù)所選最優(yōu)模型，采用Kriging空間插值方法生成土壤容重的空間分布圖。

Kriging空間插值法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)重要內(nèi)容之一，它是建立在變異函數(shù)及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域化變量的無偏最優(yōu)估計(jì)。Kriging法相對(duì)于普通估計(jì)方法的不同之處是它不僅考慮了待估樣點(diǎn)與鄰近樣點(diǎn)的空間位置，而且把鄰近樣點(diǎn)的位置關(guān)系考慮進(jìn)去[19]。Kriging法運(yùn)用的前提是區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性。因此，Kriging插值的實(shí)質(zhì)是一個(gè)實(shí)行局部估計(jì)的加權(quán)平均值[20]。Kriging估計(jì)法的線性組合公式為:

(2)

式中：Zv(x)——待估點(diǎn)的內(nèi)插估計(jì)值;λi——權(quán)重;Z(xi)——在點(diǎn)x附近觀測(cè)點(diǎn)上得到的實(shí)測(cè)值。

1.3.2 ArcGIS空間分析 以覆蓋朱溪流域的1∶1萬地形圖為底圖，在ArcGIS 10.2中經(jīng)過底圖掃描，圖像校正，投影(Beijing_1 954_3_Degree_GK_CM_117 E)以及矢量化等高線，并創(chuàng)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)生成高精度數(shù)字地形圖(DEM)[21]。運(yùn)用ArcGIS空間分析模塊，從DEM中提取高程、坡度等地形因子，并進(jìn)行高程和坡度分級(jí)。將高程分為0～300，300～350，350～400，400～450和>450 m這5個(gè)等級(jí)，將坡度分為0°～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°，40°～50°和>50°共6個(gè)等級(jí)。利用區(qū)域分析功能將重分類后得到的分級(jí)圖進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)。將土壤容重空間插值圖轉(zhuǎn)換為刪格數(shù)據(jù)后進(jìn)行重分類，并將其作為分區(qū)統(tǒng)計(jì)的賦值柵格，進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，最后分別得到以高程和坡度為基礎(chǔ)的土壤容重分區(qū)統(tǒng)計(jì)值。將土地利用類型圖進(jìn)行重分類并與土壤容重重分類圖進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到不同土地利用類型下的容重面積分布關(guān)系圖[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重空間分異

當(dāng)變異系數(shù)0.1

表2 朱溪流域土壤容重的理論模型和相應(yīng)參數(shù)

由附圖5可以看出：土壤容重具有從東北向西南增大的趨勢(shì)。土壤容重值大于1.28 g/cm3的高值區(qū)主要分布在中部和南部地區(qū)。容重值小于1.14 g/cm3的地區(qū)主要分布于東部和東北部。容重值大于1.35 g/cm3的高值區(qū)主要零星分布在西南部。容重次高值的區(qū)域大致呈“人”字型成片分布，并出現(xiàn)由其兩側(cè)向遠(yuǎn)處逐漸遞減的趨勢(shì)。

2.2 地形與土壤容重空間分異

2.2.1 坡度、坡向和坡位與土壤容重空間分異 通過相關(guān)分析，得到坡度與容重的相關(guān)系數(shù)(r=-0.66，p<0.05)，表明坡度與容重相關(guān)性良好。如圖1所示，土壤容重隨坡度增加大致呈線性遞減的趨勢(shì)(R2=0.410)。

圖1 土壤容重隨坡度增加的變化情況

由附圖6可以看出，研究區(qū)域坡度大致由東向西降低，西部河流下游地區(qū)以及中部河谷地區(qū)坡度較小均小于10°。由坡度分區(qū)統(tǒng)計(jì)(表3)可以分析出，各分區(qū)內(nèi)土壤容重均值隨坡度值增大而減少，這與以上擬合曲線變化趨勢(shì)基本一致。坡度小于20°的區(qū)域占研究區(qū)面積比重達(dá)62.07%，其土壤容重均值介于1.23～1.25 g/cm3，容重值相對(duì)較大。坡度值大于40°的地區(qū)主要分布于東部和東北部，占面積比重僅為2.18%，區(qū)域內(nèi)土壤容重均值介于1.14～1.17 g/cm3，容重值相對(duì)西部較小。

表3 朱溪流域土壤容重坡度分區(qū)統(tǒng)計(jì)

土壤容重分別與坡向虛擬變量和坡位的虛擬變量相關(guān)分析(表4)。坡位虛擬變量與土壤容重相關(guān)系數(shù)為正，則表明其容重值大于其他位置，為負(fù)則相反，絕對(duì)值越大說明不同部位容重值差異顯著。sin(坡向)和cos(坡向)與土壤容重相關(guān)系數(shù)為正值，表示容重值在偏北坡大于偏南坡或者偏東坡大于偏西坡，負(fù)值則相反。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤容重在不同坡位和坡向上存在一定差異，但是容重空間變異與坡位和坡向相關(guān)性并不明顯(p>0.05)。

表4 朱溪流域土壤容重與坡位和坡向的相關(guān)性分析

2.2.2 高程與土壤容重空間分異 通過分析，得到高程與土壤容重的相關(guān)系數(shù)(r=-0.53，p<0.05),高程與容重?cái)M合函數(shù)的決定系數(shù)R2=0.280。從附圖7可以看出，高程與坡度具有相似的變化趨勢(shì)，即由東部向西部逐漸降低。將土壤容重空間插值圖與高程分級(jí)圖進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到表5。從表5可以分析得出，土壤容重均值隨高程增加而減少的趨勢(shì)較為明顯。高程小于300 m的區(qū)域占研究區(qū)面積比重為27.38%，主要分布于西部和中部部分地區(qū)，其區(qū)域內(nèi)的土壤容重均值為1.27 g/cm3，大于采樣點(diǎn)均值1.24 g/cm3。而在高程大于450 m的區(qū)域，土壤容重均值為1.16 g/cm3，明顯小于總體均值。人類活動(dòng)也是土壤容重分布影響因素之一，而居民點(diǎn)及工礦用地是人類活動(dòng)較為集中的區(qū)域。通過將DEM與居民點(diǎn)及工礦用地面積進(jìn)行疊加分析，發(fā)現(xiàn)居民點(diǎn)及工礦用地面積隨海拔增加而顯著下降，分別在0～300，300～350，350～400 m占該用地類型總面積比重為77.5%，19.6%和2.9%，而在海拔為400～450和大于450 m區(qū)域的面積總和，占總面積比卻小于0.1%。

表5 朱溪流域土壤容重高程分區(qū)統(tǒng)計(jì)

2.3 土地利用方式與土壤容重空間分異

如表6所示，研究區(qū)域林地占總面積的62.5%，林地主要以次生馬尾松林為主，林下分布著多種雜草。根據(jù)土樣分析發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)土地利用中，林地土壤容重均值最小，為1.21 g/cm3。草地占流域總面積的0.2%，容重均值為1.23 g/cm3。容重均值較大的土地利用類型分別是居民點(diǎn)及工礦用地和交通用地，其均值分別為1.37，1.35 g/cm3。其中耕地主要分布在河流沿岸的河谷盆地，占區(qū)域總面積22.5%，其土壤容重均值為1.25 g/cm3，耕地以水稻田種植為主，其土壤容重受人為影響明顯。居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域以及未利用地等土壤容重最小值均大于1.07 g/cm3，并且在容重值較大的1.28～1.35 g/cm3范圍內(nèi)占比重分別為38.3%，32.7%，35.4%和56.6%，明顯大于其他土地利用類型。未利用地土壤容重值最小值大于1.21 g/cm3，而林地、園地和草地等植被覆蓋良好，受人類活動(dòng)影響相對(duì)較小的區(qū)域，土壤容重最小值均小于1.07 g/cm3。

表6 土地利用類型與土壤容重空間分布面積 hm2

3 討 論

3.1 地形對(duì)朱溪流域土壤容重空間分異的影響

朱溪小流域土壤容重均值隨坡度增大而減小，并且坡度與容重相關(guān)性較大。主要是因?yàn)樵摿饔蚱露刃〉膮^(qū)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域、高速公路和國(guó)道由此經(jīng)過，各種活動(dòng)對(duì)土壤的踩踏造成土壤的緊實(shí)，從而導(dǎo)致土壤容重值較高[24]。而坡度較大的區(qū)域，海拔相對(duì)較高，人為影響小，植被覆蓋良好，從而降低了土壤容重值。

土壤質(zhì)地是影響土壤容重的重要因素[25]，低海拔區(qū)域位于河流的下游地區(qū)，高程和坡度較低，從高海拔表土沖刷而來的細(xì)土粒在低海拔沉積。因此，隨海拔的升高，土壤黏粒與粉粒含量降低，而砂粒含量相對(duì)增加，土壤質(zhì)地隨海拔的這種變化造成土壤容重隨海拔的升高而降低[26]。此外，人類活動(dòng)較為活躍的地帶主要分布于低海拔區(qū)域，且隨海拔升高而影響逐漸減小，從而在一定程度上影響土壤容重隨海拔升高而產(chǎn)生的空間變異。

3.2 土地利用方式對(duì)朱溪流域土壤容重空間分異的影響

朱溪流域不同土地利用類型下的土壤容重均值存在明顯差異，該結(jié)果與連綱等[7]在黃土高原區(qū)不同土地利用下土壤容重分析結(jié)果并不一致，可能與研究區(qū)域差異以及植被類型差異和樣本數(shù)量等有關(guān)。該流域中下游地區(qū)是人口聚居區(qū)域，有關(guān)研究表明，在該區(qū)域以居民點(diǎn)建立緩沖區(qū)，土壤容重值在緩沖區(qū)內(nèi)大于緩沖區(qū)外[27]。因此，人類活動(dòng)在一定程度上破壞了該流域土壤容重的結(jié)構(gòu)性，因而隨機(jī)性因素?cái)U(kuò)大。居民點(diǎn)及工礦用地、未利用地、交通用地等土地利用類型人類活動(dòng)較為活躍，容重均值相對(duì)較大。林地、草地和園地等土地利用類型，由于該區(qū)域植被覆蓋相對(duì)較好，土壤平均孔隙度相對(duì)較大，土壤容重因此相對(duì)較低，土壤容重均值明顯小于其他土地利用類型。由于歷史人為破壞嚴(yán)重以及土壤抗蝕性差等原因，該流域曾經(jīng)是中國(guó)南方水土流失較為嚴(yán)重地區(qū)，經(jīng)過一系列綜合治理與開發(fā)，朱溪流域生態(tài)環(huán)境得到很大改善，形成以林地為主的土地利用格局，有效改善了土壤結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持水土保持工作，加大植被保護(hù)力度，以保證該流域土壤結(jié)構(gòu)的持續(xù)性改善。

4 結(jié) 論

(1) 朱溪流域土壤土壤容重值大致存在由東北向西南逐漸增加的趨勢(shì)，土壤容重高值區(qū)域主要分布在河流下游的中部和西南部，低值區(qū)主要分布在東部、東北部和西北部等區(qū)域。

(2) 研究區(qū)土壤容重值的變化與高程和坡度變化存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤容重值隨海拔和坡度的增加而降低。高程和坡度是影響該流域土壤容重空間分異的主要地形因子，而坡位和坡向等因子對(duì)于研究區(qū)土壤容重的空間分異相關(guān)性不明顯。

(3) 不同土地利用類型土壤容重分布存在明顯差異，相似土地利用類型的土壤容重均值差異較小。居民點(diǎn)及工礦用地、未利用地、交通用地和水域土壤容重均值較大，且在容重高值區(qū)域，占面積比重大于其它土地利用類型。耕地土壤容重均值為1.25 g/cm3，接近該區(qū)域容重均值，土壤結(jié)構(gòu)良好。林地、草地和園地等土地利用類型土壤容重相對(duì)較低，土壤容重均值明顯小于其他土地利用類型，說明植被覆蓋可以有效改善該流域土壤結(jié)構(gòu)。